医用回旋加速器的真空故障诊断及改进

马超凡，赵良超，何小中

(中国工程物理研究院流体物理研究所，四川绵阳621900)

医用回旋加速器的真空故障诊断及改进

马超凡，赵良超，何小中

(中国工程物理研究院流体物理研究所，四川绵阳621900)

医用回旋加速器正常工作与真空系统有着密不可分的关系，当真空室内的真空不能达到设备所需的要求时，不能有效的打靶制药。此时，分析真空室中的成分，找出放气源头，优化真空室内的真空环境，从而有效提高束流强度，完成正常打靶工作。

真空系统；束流强度；成分

较高的真空度是保证医用回旋加速器正常工作运行的重要条件之一。当真空室中的真空度达不到机器正常工作的要求时，室内的杂质气体会对负氢离子大量剥离，束流损失增大，末端流强降低，从而使加速器的性能下降；当真空度高于10-2Pa时，加速器将直接不能工作。杂质气体还会对加速器内部零部件造成损坏。当真空室馈如高压后，杂

质气体会增加打火概率，破坏零部件的光洁度，甚至造成零部件的损坏。尤其对离子源内部的核心部件——阴极，工作时表面温度可达上千摄氏度，杂质气体会使其损耗加大，寿命降低[1]。为此，排除真空系统的故障，降低真空系统的故障率，才能确保设备的稳定运行。

1 故障现象

真空室中真空度低，大于5x10-4Pa；工作时离子源需要大流量的氢气供给才能达到较高的流强；离子源寿命降低；引出束流强度达不到预期打靶的要求。

2 故障分析

回旋加速器正常工作时，在一定范围内，通过调节通入离子源的氢气气流大小可以改变束流强度，但氢气流量需要控制在20sccm以内。如果氢气管路混入杂质气体(水蒸气、空气等)，杂质气体成分会使离子源的性能下降。为达到离子源的工作参数，需要加大氢气流量，从而使阴极烧蚀过快，离子源寿命降低。故出现上述故障现象后，在排除加速器其他软硬件设备无故障后，检查真空系统前级机械泵、涡轮分子泵是否有问题，在都未出现故障的情况下，就要进一步查出放气源，从而解决问题，实现加速器正常打靶。

针对所出现的问题，首先对整体加速器各个重要的装配部分进行氦质谱法测试检漏[2]，并未发现异常。转而考虑到材料本身应有的放气特性，金属材料本身放气率很低，真空腔内壁的放气可以忽略不计。但在离子源供气的这路管道，由于现气瓶位置离加速器有一定的距离，暂采用材料为聚氨酯PU，管径为4mm的塑料软管做供气路，长度约为8m。在这段长而细小的空间很难将真空抽下去，为判断这段供气气管里真空是否抽到真空计所显示的数值，采用了一个简单的方法进行验证：在真空抽到一定阶段时，真空计显示的读数会固定在一数值，此时将距离子源比较近的地方将气路管子折起，真空计显示的真空度很快上升了2×10-4Pa。通过该现象，确定了供气气管的确影响了真空，但确定不了工作时是否漏气，是否混入杂质气体，有必要对真空室中的真空成分做实验分析。

真空腔内气体成分分析使用质谱仪完成。首先将质谱仪接到加速器上，并与真空室相通。然后抽真空，真空计所显示的真空度稳定后，打开质谱仪控制软件，测真空室中主要气体的频谱，如图1所示(为便于分析，仅显示含量较高的几种气体)：

在所测结果中，可以很明显看出水和氮气在真空室中所占比例最大。随后，为模拟离子源工作状态，打开氢气流量控制器，保持5sccm的流量往真空室中的离子源输送氢气，此时我们测到的频谱如图2所示。

图1 真空室中主要气体频谱(氢气流量0sccm)

图2 真空室中主要气体频谱(氢气流量5sccm)

从测得的频谱来看，模拟离子源工作，通入一定流量的氢气后，真空室中的水和氮气发生了很明显的上升，氧气也增加了一些。

经过计算，得到真空室内水蒸气的含量约为1%，远超出正常值。水蒸气的含量与氢气流量不成正比例关系。氢气瓶的纯度经检测为99.99%，从而确定杂质气体的来源为长气管的放气。

3 故障处理并改进

通过将氢气瓶移动至加速器附近，塑料气管长度由约8m长减少至1m。再次使用质谱仪分析，水蒸气的含量下降至处理前的1/3。加速器整机试验后，束流强度和离子源寿命均恢复正常，故障成功排除。

4 结论

医用回旋加速器是由多个分系统组成的复杂设备，分系统之间相互关联并相互影响。加速器维护检修是一项难度较大的工作。因此，只有全面掌握加速器各个系统的工作原理,熟练使用各种检测设备，深入分析所故障现象,才能迅速排除故障，保障设备的正常运转。

[1]杨振，龙继东，董攀，等.一种回旋加速器的负氢离子源[J].高能量密度物理，2013，3(1)：41-46.

[2]徐成海.真空工程技术[M]. 北京：化学工业出版社， 2006，8：379-389.

2014-05-30

TH774

C

1002-2376(2014)11-0101-02